一种新型轴向柱塞泵恒功率控制机构的研究许浩功;姚平喜【摘要】Aimed at the problems in existing constant power variable pumps,such as complex structure,high cost and sensitiveness for oil pollution,a new variable displacement mechanism of constant power axial piston pump is proposed.The principle of the new variable displacement mechanism is introduced,and the static performance isanalyzed.Simulation platform is built in ADAMS and AMESim,and the co-simulation is run on the platform to analyze the dynamic performance and its influencing factors.The results show that the new variable displacement mechanism has fast response and small overshoot.The pump power can be controlled exactly by the controlling pressure.The piston diameter,lever arm length and power control gain coefficient have obvious effects on the dynamic performance.%针对目前恒功率控制机构结构复杂、成本高、对油液污染敏感等问题,提出了一种新型的轴向柱塞泵恒功率控制机构.介绍了新型恒功率控制机构的原理,对控制机构的静态性能进行了分析.应用ADAMS和AMESim建立恒功率控制机构的仿真实验平台,通过联合仿真对新型恒功率控制机构的动态性能及其影响因素进行仿真研究.研究表明新型恒功率控制机构响应速度快,超调量小,控制压力可以对轴向柱塞泵的功率实现良好的控制;柱塞直径、控制杠杆臂长以及功率控制增益系数对机构的动态性能有重要影响.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2017(000)009【总页数】5页(P82-86)【关键词】恒功率控制;联合仿真;动态性能【作者】许浩功;姚平喜【作者单位】太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;精密加工山西省重点实验室,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;精密加工山西省重点实验室,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH137轴向柱塞泵由于具有功率密度大、容积效率高、变量方便等优点，广泛应用于工业液压设备和工程机械，是多种大型机电装备和国防装备配套液压传动系统的核心动力元件[1]。
而恒功率控制的轴向柱塞泵可以充分吸收原动机的功率，使原动机始终工作在最佳工作点，避免功率浪费以及过载现象的发生[2]。
目前，恒功率变量机构主要包括3种形式：利用双弹簧结构的位移直接反馈、位移-力反馈恒功率控制机构[3-4]，利用凸轮结构的恒功率控制机构[5]以及利用杠杆原理的压力位移反馈式恒功率控制机构[6]。
采用双弹簧结构的控制方式是使压力流量以不同斜率的两条直线变化，通过两条直线来近似双曲线，并不是真正意义上的恒功率控制；利用凸轮结构的恒功率控制机构由于采用了机械记忆的方式，若是要更改恒功率曲线，则要更换不同曲线形式的凸轮[7]；而利用杠杆原理的恒功率控制机构，理论上可以让压力-流量呈双曲线变化，但该恒功率变量机构以伺服阀、伺服阀控柱塞为主要控制元件，制造精度及成本要求较高，且对系统清洁要求较为苛刻，限制了其应用范围。
为此，我们以斜盘式轴向柱塞泵为研究对象，提出了一种新型的恒功率控制机构[8]。
该新型控制机构通过2个柱塞驱动控制杠杆，改变斜盘倾角，从而调节液压泵的排量，实现液压泵的恒功率控制，此外，通过改变控制柱塞内的压力还可以便捷的改变液压泵的输出功率。
新型恒功率控制机构的结构原理如图1所示，控制机构主要包括两部分：杠杆控制部分和斜盘控制部分。
杠杆控制部分包括负载柱塞体、负载柱塞活塞、控制柱塞体、控制柱塞活塞与控制杠杆。
斜盘控制部分包括齿轮、斜盘以及限位块。
控制杠杆固定在齿轮上，负载柱塞体与控制柱塞体固定在壳体上，并可以绕固定点旋转，负载柱塞活塞与控制柱塞活塞分别作用在控制杠杆的两端，齿轮与斜盘上的不完全齿轮啮合，传动比为2 ∶1，斜盘支撑在壳体上并可以绕支撑旋转。
其中负载柱塞体的固定点与负载柱塞活塞的铰接点在同一个圆周上，圆心位于杠杆的旋转中心；控制柱塞体的固定点与控制柱塞活塞的铰接点在同一个圆周上，圆心位于杠杆的旋转中心；控制杠杆的2个控制臂之间的夹角是控制柱塞和负载柱塞的固定点与杠杆旋转中心构成的夹角的补角。
轴向柱塞泵的出口压力ps作用于负载柱塞，先导控制压力pc作用于控制柱塞。
在先导控制压力pc一定，而负载增大时，轴向柱塞泵的出口压力ps升高，负载柱塞作用力对杠杆齿轮中心的转矩T1增大，使杠杆齿轮顺时针旋转，负载柱塞活塞伸出，控制柱塞活塞缩回，负载柱塞活塞与负载杆之间夹角减小，从而负载柱塞作用力对杠杆齿轮中心的转矩T1减小，控制柱塞作用力对杠杆齿轮中心的转矩T2增加，直至T1等于T2，达到新的平衡。
与此同时，齿轮通过齿轮传动带动斜盘逆时针旋转，减小轴向柱塞泵的排量，使轴向柱塞泵工作在恒功率状态。
负载减小时，轴向柱塞泵的出口压力ps降低，斜盘顺时针旋转，增大轴向柱塞泵排量，使轴向柱塞泵工作在恒功率状态。
负载压力ps一定，控制压力pc升高时，控制柱塞作用力对杠杆齿轮中心的转矩增大，使杠杆齿轮顺时针旋转，带动斜盘顺时针旋转增大轴向柱塞泵的排量，使轴向柱塞泵的功率增大，从而实现控制压力对液压泵功率的控制。
新型恒功率控制机构的柱塞控制杠杆部分的控制原理图如图2所示。
控制杠杆2个控制臂之间的夹角β是控制柱塞和负载柱塞的固定点与杠杆旋转中心构成的夹角α的补角，即：则根据柱塞与控制杠杆的几何位置关系可得：式中，θ1为负载柱塞与控制杠杆之间的夹角；θ2为控制柱塞与控制杠杆之间的夹角；δ为控制杠杆转过的角度。
负载柱塞作用力对控制杠杆的转矩为：T1=psA1L1sinθ1式中，ps为轴向柱塞泵的出口压力，MPa；A1为负载柱塞的作用面积，mm2；L1为控制杠杆与负载柱塞活塞相连接的一端的臂长，m。
控制柱塞作用力对控制杠杆的转矩为：T2=pcA2L2sinθ2式中， pc为控制压力，MPa； A2为控制柱塞的作用面积，mm2； L2为控制杠杆与控制柱塞活塞相连接的一端的臂长，m。
当控制杠杆达到平衡时：联立式(3)～式(6)，可得：斜盘式轴向柱塞泵的流量为：式中， Vmax为轴向柱塞泵的最大排量，mL/r；γ为斜盘工作表面的倾角；γmax为斜盘倾角的最大值； n为液压泵的转速，r/min；ηV为泵的容积效率。
当斜盘式轴向柱塞泵工作在恒功率状态，且功率可以由控制压力调节时，应满足：式中，ηm为泵的机械效率； Kc为功率控制增益系数，kW/MPa。
此外，由于齿轮与斜盘上的不完全齿轮的传动比为2 ∶1，因此：联立式(8)～式(10)，可得：对比式(7)与式(11)，可知：通过新型恒功率控制机构可以实现斜盘式轴向柱塞泵的恒功率控制，且在原动机转速一定的情况下，通过合理选择负载柱塞、控制柱塞和控制杠杆的臂长实现控制压力对泵功率的控制。
本研究主要研究恒功率控制原理的可行性，因此忽略控制机构的摩擦，齿轮传动间隙等，用等效摩擦转矩与等效阻尼转矩代替。
利用ADAMS和AMESim联合建立恒功率轴向柱塞泵的仿真实验平台模型，如图3所示。
本模型主要分为恒功率控制机构子模型、泵子模型以及加载系统子模型。
控制机构子模型利用ADAMS搭建，将计算出的轴向柱塞泵斜盘倾角、两柱塞的位移通过ADAMS和AMESim的接口传递到AMESim中的泵子模型中；泵子模型将输入的斜盘倾角通过函数关系转化为泵的排量，并将计算出的控制柱塞与负载柱塞的作用力通过接口传递到控制机构子模型中；加载系统子模型采用溢流加载模拟可变负载。
设置模型参数为轴向柱塞泵的最大排量45 mL/r，斜盘倾角范围为1°～18°，电动机转速2500 r/min，功率控制增益20 kW/MPa，进行仿真分析。
3.1 恒功率控制机构的动态性能在控制压力为1 MPa的情况下，对溢流阀给予1个15 MPa的阶跃信号，系统的输出响应如图4所示。
对溢流阀给予1个0～25 MPa的斜坡信号，系统的输出响应如图5所示。
由图4可以看出负载突变之后，控制机构迅速响应，减小柱塞泵的排量，在0.08 s内达到稳定，超调量在3%以内，稳态误差几乎为0；在负载突变瞬间，原动机的瞬时功率超出预定值50%，由于控制机构迅速达到稳定，原动机过载时间极短，因此对系统的影响可以忽略。
由图5可以看出在原动机输出功率达到设定功率之前，轴向柱塞泵的排量保持在最大状态，原动机的输出功率随着负载的增大而增大。
在原动机输出功率达到设定功率后，随着负载的变化，控制机构调节轴向柱塞泵的排量，使得原动机的输出功率基本维持在设定功率上，实现轴向柱塞泵的恒功率控制。
在溢流压力为15 MPa时，分别设置控制压力为0.5、 1.0、 1.5 MPa，得到的仿真结果如图6所示，可以看出，原动机的输出功率与控制压力成正比，说明可以通过调节控制压力来使原动机输出对应的功率。
3.2 关键参数对控制机构性能的影响分别设置负载柱塞的直径为8、 10、 12 mm，并相应成比例的改变控制柱塞的直径，在15 MPa 的阶跃负载信号输入下，得到的仿真结果如图7所示。
分别设置控制杠杆与负载柱塞活塞相连接的一端的臂长为25、 30、 35 mm，并相应改变控制杠杆与控制柱塞活塞相连接的一端的臂长，在15 MPa 的阶跃负载信号输入下，得到的仿真结果如图8所示。
由图7、图8可以看出，增大柱塞直径，或者增大控制杠杆的臂长，控制机构的响应速度就会变快，超调量变大，但是对于控制机构的调整时间与稳态值的影响不大。
这是由于增大柱塞直径会增大柱塞作用在控制杠杆上的力，增大控制杠杆臂长会增大柱塞作用力的力臂，而不论是增大柱塞作用力还是增大作用力的力臂，都会增大对杠杆中心的转矩，使得机构的响应速度更快。
因此增大柱塞的直径和增大控制杠杆臂长可以缩小控制机构的上升时间，从而缩短原动机的过载时间，但会影响系统的平稳性。